空化水射流在漸進成形與沖蝕領域的對比分析

薛文浩，吳曉君，張飛飛，何凱

空化水射流在漸進成形與沖蝕領域的對比分析

薛文浩1,2，吳曉君1，張飛飛2*，何凱2

（1.西安建筑科技大學 機電工程學院，西安 710021；2.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055）

將高壓水射流漸進成形技術與空化現象相結合，探索一種新的加工形式——空化水射流漸進成形技術，研究不同空化噴嘴內部結構、工作靶距對成形和沖蝕的影響。設計了5種不同內部結構的空化噴嘴，在相同工藝參數和不同靶距的條件下，對厚度為0.5 mm、尺寸為200 mm×200 mm的5052鋁合金板以及厚度為10 mm、尺寸為50 mm×50 mm的1060鋁合金塊進行成形和沖蝕實驗，測量樣品成形高度和沖蝕損失質量，觀察電子顯微鏡下樣品的沖蝕外貌形態。噴嘴內部結構對空化效果有很大影響，有錐形擴散段的噴嘴空化效果更好，作用半徑更大。噴嘴的作用區域呈3層圓環狀，由許多渦旋組合而成。產生的空泡沿流動方向運動，在靶體附近潰滅，釋放沖擊力。在成形和沖蝕2種工況下，均存在最佳靶距，且隨著靶距的增大，空化水射流的表面形態也發生變化，圓環的第1層直徑保持不變，第2層、第3層直徑顯著增大?？栈瘒娮斓膬炔拷Y構和靶距對空化水射流成形和沖蝕的影響較大，在實際生產應用中應根據使用場景、工作范圍選擇合適的工藝參數，以提高效率。

漸進成形；空化；靶距；粗糙度；工藝參數

金屬板材的成形制造可分為大批量生產和小批量定制2類。對于大批量生產，沖壓成形是最常用的加工工藝。當模具設計與制作完成后，便可以開始大規模生產，但開發出一套模具需要大量的人力、物力。由于研發成本高、加工周期長等缺點，為滿足小批量定制的需求，引入了板料漸進成形的理念，即對目標成品零件的三維模型進行路徑軌跡規劃，在所生成軌跡的控制下，逐步累積變形，最終成形出所需要的零件，其中應用較為廣泛的方法有無模單點漸進成形[1-2]、激光成形[3-4]、噴丸成形[5-6]和高壓水射流成形[7]等。與傳統模具沖壓成形工藝相比，漸進成形技術不需要提前加工形狀復雜、成本昂貴的模具，也不需要大型沖壓成形設備，因此零件的制造周期明顯縮短，漸進成形技術具有廣闊的應用前景。

單點漸進成形是最先被提出的一種金屬板材漸進成形技術，具體加工方法如圖1a所示。剛性沖頭沿預定軌跡運動，當完成第1層的運動軌跡后，工具頭按照設定步長下壓板材到第2層繼續成形，如此反復，直到整個零件的成形完成[8-9]。在成形過程中，板材和工具頭接觸位置的面積很小，在這塊很小的面積內發生了局部塑性變形，塑性變形區隨著運動軌跡而轉移，最終形態由局部變形積累形成。與直接沖壓相比，此種方法下板材的變形更加充分，靈活性更強，但由于剛性工具頭與板材硬接觸，不可避免地會導致漸進成形得到的零件表面光潔度差、粗糙度高。

為解決單點漸進成形表面質量差的問題，Lseki等[10]提出了一種新的解決方法，使用高壓水射流代替傳統的剛性工具頭對板材進行塑性變形。與傳統單點漸進成形相比，該方法在工件表面產生的摩擦更小，表面光潔度更好，其加工方法如圖1b所示，利用高壓水射流替代傳統的工具頭，當水射流壓力超過金屬板料的初始屈服強度時，產生局部塑性變形。盧布爾雅那大學的Petek等[11]對比了基于剛性工具頭和基于高壓水射流漸進成形技術的優缺點，找出了影響漸進成形的各種工藝參數，定義了基于無量綱噴嘴直徑和相關工藝參數的工藝窗口。斯洛文尼亞的Jurisevic等[12]研究了不同高壓水流運動軌跡對成形結果的影響，利用三坐標測量機（CMM）對所成形零件進行了測量，并比較了不同軌跡的成形幾何形狀和零件對稱度。2019年，Shi等[13]使用支撐模具研究了水射流運動軌跡對零件最終幾何形狀的影響。表明，不同幾何形狀的支撐模具需要不同的射流運動軌跡，這樣才能達到較高的幾何精度，不適當的運動軌跡和水射流壓力組合會導致金屬板材產生屈曲缺陷。2016年，Lu等[14]通過計算流體動力學（CFD）模擬建立了板材變形的有限元模型。研究表明，高壓水射流技術不僅可以防止板材起皺、提高成形精度，還能夠減小零件表面的粗糙度。高壓水射流技術避免了工具頭與板材之間的摩擦，提高了成形后的表面質量，而且不需要添加潤滑劑，成形過程更環保綠色。但需要注意的是，這種方式也存在一些不足：加工過程對高壓水泵的要求較高，動輒上百兆帕，對操作人員與設備也存在一定的安全隱患。因此亟需一種新的加工方式來取代。

圖1 單點漸進成形（a）、水射流漸進成形（b）工作示意圖

空化是一種相變現象，當流體的流速增大、局部靜壓低于水的飽和蒸氣壓時，流體中的空化核會發展成空化泡，根據空泡動力學原理[15]，當空化泡隨射流運動到固體壁面附近時，會在壁面附近發生潰滅，潰滅產生的沖擊波沖擊固體壁面，對表面起到了強大的破壞作用[16-17]。Conn等[18]推導出了空化水射流沖擊壓力與普通水射流沖擊壓力之間的關系，如式（1）所示。

式中：i為空化水射流沖擊壓力；s為入口射流沖擊壓力；為液體內氣體的體積分數。

假定=1/6～1/12，此時i=(8.6～124)s，可知當泵出口壓力一定時，空化水射流的沖擊壓力是普通水射流沖擊壓力的8.6～124倍，因此空化水射流有著更廣闊的應用場景。

近幾十年來，很多學者對空化現象及其應用場景進行了系統研究。2016年，Hutli等[19]研究了相關工藝參數和噴嘴的幾何結構對純銅樣品侵蝕的效果，解釋了各工藝參數與侵蝕速率、深度之間的關系。郭文璐等[20]對空泡與液面接觸時的空泡非球形演化進行了關鍵參數的理論建模，獲得了空泡潰滅過程中的能量分配機制。Apte等[21]使用幾種不同的湍流模型，對湍流特性進行了分析，評估了空化云周期性脫落的大小和頻率。Soyama等[22]對比了使用空化水射流噴丸和傳統噴丸2種技術，發現與傳統噴丸相比，空化噴丸處理后的金屬表面最大殘余應力、疲勞壽命均有不同程度的增大。王旭[23]使用空化水射流對緊固孔內壁進行了空化噴丸處理及振動疲勞試驗，對比了各試樣的疲勞壽命，研究發現，與傳統噴丸相比，空化噴丸的效率明顯更高。Quaisie等[24]使用空化水射流對304不銹鋼進行了表面微成形，結果表明，這種方法成形樣品的表面形態具有良好的幾何特征，成形減薄最大處出現在圓角區，且底部和圓角區均未出現斷裂，在8～20 MPa的入射壓力下，成形深度僅從124.7 μm增大到327.8 μm，且工作時間過長，效率過低。目前只有Quaisie等[24]使用空化水射流進行了成形。Zhu等[25]將SBES湍流模型與Schnerr-Sauer空化模型相結合，模擬了空化水射流初生、生長、收縮、潰滅階段，進一步闡述了空化機理。Pang等[26]設計了獨特的裝置，引入了二次空化水射流，解決了因噴丸時存在零射入角而限制了空化噴丸效率的問題，使局部強化效率提高了66%。

目前空化水射流技術廣泛應用于水下清洗、噴丸強化等方面，本文結合高壓水射流漸進成形技術與空泡動力學理論，率先提出一種利用空化氣泡潰滅時產生的沖擊力對金屬板材表面進行成形的新技術，即空化水射流漸進成形技術。當潰滅時的峰值壓力大于金屬板材的屈服強度時，金屬板材將發生屈曲和塑性變形。與傳統成形工藝相比，空化水射流漸進成形技術具有成本低、成形性好、所需水流壓力小等優點，因此在小批量金屬板材零件定制領域具有廣闊的應用前景。本文重點研究不同空化噴嘴在空化水射流成形與沖蝕2種工況下的區別，進而確定適合空化水射流漸進成形的最佳噴嘴結構及最佳靶距。

1 實驗

1.1 設備

空化水射流漸進成形/沖蝕設備由高壓泵、抽水泵、ABB機械臂、工作水箱、儲水箱、高壓電磁閥組成，具體工作流程如圖2所示。其中ABB機械臂型號為IRB1200，最大工作載荷為7 kg，最大工作半徑為1 380 mm。利用夾具將高壓水管固定在機械臂上，通過用戶自定義的程序，水管可以跟隨機械臂運動。通過一進兩出的高壓電磁閥控制高壓水的進出通斷，電磁閥接在機械臂的控制柜上，由控制柜提供的24 V直流電來控制通斷。在斷電狀態下，高壓水通過管道A進入噴嘴，在工作水箱中進行實驗，水泵把工作水箱里多余的水抽到儲水箱中，保持實驗水位高度不變。當成形或沖蝕過程結束時，電磁閥通電，高壓水通過管道B進入儲水箱，儲水箱的水經過濾循環后再進入高壓水泵中，如此反復利用。高壓泵最高工作壓力為42 MPa，柱塞長30 mm，最大流量為70 L/min，高壓電磁閥最大工作壓力為30 MPa，工作介質最高溫度為80 ℃。

圖2 實驗設備工作流程

1.2 材料

成形實驗使用的金屬板材為厚度0.5 mm、尺寸200 mm×200 mm的5052鋁合金板。在成形實驗中，板材固定在夾具的上壓板與下支撐板之間，四周用上壓板壓死，并使用內六角螺栓進行固定。沖蝕實驗使用厚度10 mm、尺寸50 mm×50 mm的1060鋁合金塊，使用帶吸盤的鉗臺固定，吸盤吸在小水箱底部。2種實驗材料的化學成分如表1所示，2種實驗的固定方式如圖3所示。

表1 材料化學成分

Tab.1 Chemical composition of material wt.%

a 沖蝕實驗 b 成形實驗

圖3 實驗夾裝方式

Fig.3 Experimental clamping method: a) erosion experiment; b)forming experiment

1.3 噴嘴結構

空化噴嘴是空化水射流的核心部件，高壓水流在內部產生的壓力降是產生空化現象的主要原因，其內部結構的差異會對漸進成形和沖蝕產生巨大的影響。合理的內部結構不僅可以避免在噴嘴收縮處過早產生空泡從而造成堵塞，還可以促進收縮結構處的壓力分布趨于液體的臨界空化狀態，使流場更容易出現低壓漩渦，增強空化性能。參考相關文獻以及美國ASTM G134抗空化侵蝕實驗所用的標準噴嘴，設計了5種不同結構類型的噴嘴，5種噴嘴的統一出口喉管直徑為1.5 mm，其內部結構如圖4所示。其中1號噴嘴為江蘇大學Quaisie等[24]微成形所使用的空化噴嘴，2號噴嘴為美國ASMT G134抗空化侵蝕實驗所用的標準實驗空化噴嘴[27]，3號噴嘴為日本東北大學Soyama等[28]研發的優化噴嘴，4號噴嘴為自激震蕩噴嘴[29]，5號噴嘴為中科院課題組自行設計的優化空化噴嘴。

2 實驗方案與結果分析

2.1 不同空化噴嘴在相同工藝參數下的漸進成形與沖蝕實驗

參考眾多文獻中高壓水射流漸進成形研究所采用的靶距、壓力和進給速度等參數，確定本文靶距為30 mm，壓力為20 MPa，進給速度為5 mm/s，在鋁合金板上以半徑為40 mm的圓形運動軌跡成形2次。與高壓水射流漸進成形的機理不同，空化水射流主要使用空泡到達金屬表面時潰滅所產生的巨大沖擊力來成形，實驗選用的5種噴嘴的成形樣品如圖5所示。在空化水射流漸進成形中，成形的金屬表面會因為空泡潰滅而出現類似于麻點的小缺陷，其中在1號噴嘴樣品中最為明顯。

圖4 噴嘴內部結構及實物

將成形后的樣品置于高度規的大理石測量臺上，在成形軌跡上隨機選取8個點，隨后使用數顯百分表對成形樣品的選取位置進行高度測量，測量結果如圖6所示，測量示意圖如圖7a所示。

由圖6可知，在其他工藝參數相同的情況下，不同內部結構的空化噴嘴對成形高度有著非常重要的影響。以1號噴嘴為例，其成形深度幾乎是4號噴嘴的3倍，在5種噴嘴中，1號和5號噴嘴的成形效果最佳。

采用三豐的SJ210表面粗糙度測量儀測量樣品表面的粗糙度，測量示意圖如圖7b所示。其中采樣段數選擇8，波長選擇0.25 mm，測量兩側沿軋制方向和垂直于軋制方向的8個點。不同型號噴嘴與表面粗糙度的關系如圖8所示。

由圖8可知，在工藝參數相同的情況下，2號、3號、4號、5號噴嘴實驗樣品保持大致相同的表面粗糙度，而在1號噴嘴中微小麻點較多（見圖5），表面較為粗糙。1號噴嘴是所有空化噴嘴中擴散段直徑最大的，這可能與噴嘴擴散段直徑的增大有關，擴散段直徑越大，相應的空泡聚攏能力越弱。當空泡與板材接觸時，由于空化水射流作用面積過大，且空泡潰滅過于分散，因此表面有較多麻點出現。

選擇1060鋁塊作為沖蝕實驗靶件，對比分析不同結構噴嘴的空化水射流沖蝕性能。在沖蝕實驗前，對所有鋁塊進行超聲波清洗，選擇靶距為30 mm、壓力為20 MPa、沖擊時間為10 min進行沖蝕實驗。侵蝕鋁塊實驗樣品及三維景深如圖9所示，侵蝕樣品表面顯微掃描圖如圖10所示。

圖5 5種噴嘴成形樣品

圖6 5種噴嘴相同參數對應的成形高度

由圖10可以看到鋁塊侵蝕后的二維表面形貌，5個噴嘴沖蝕后的表面侵蝕坑都類似于圓環狀。鋁塊沖蝕的區域主要分為3層：第1層為凹陷區；第2層為過渡區；第3層為環形腐蝕區域。5種噴嘴的第1層沖蝕區域均為一個直徑為5 mm的圓形，第2層過渡區的沖蝕深度和半徑均較小，而每個噴嘴的第3層環形腐蝕區的大小各不相同。其中5號噴嘴環形腐蝕區域最大，1號噴嘴環形腐蝕區域的沖蝕效果最明顯。由此可以看出空化水射流流場分布著一系列渦環，且由許多漩渦組合而成，生成的空泡沿著流動方向運動，在工件附近潰滅，釋放能量，使鋁塊侵蝕表面呈現一個環狀。5種噴嘴的沖蝕質量如圖11所示?？芍?，在相同靶距和壓力的情況下，1號和5號噴嘴的沖蝕效果最好，鋁塊的外貌特征變化最明顯，同時這也在三維景深圖片中有所體現，5號噴嘴沖蝕最深處的深度可達1 068 μm，從側面驗證了實驗的正確性。

a 高度 b 表面粗糙度

圖7 測量示意圖

Fig.7 Schematic diagram of measurement: a) height; b) surface roughness

圖8 5種噴嘴相同參數對應的工件表面粗糙度

2.2 不同靶距對成形和沖蝕的影響

為了驗證不同靶距對成形高度的影響，選擇1號、5號噴嘴進行實驗，其中進給速度為5 mm/s、壓力為20 MPa，在鋁合金板上以半徑為40 mm的運動軌跡成形2次，根據實驗測量數據，繪制靶距與成形高度的關系曲線，如圖12所示?？芍?，當靶距為15～60 mm時，成形高度隨著靶距的增大而增大，當靶距大于60 mm后，成形高度隨著靶距的增大而減小，所以1號和5號噴嘴的成形最佳靶距均為60 mm。從空化水射流的射流特性可知，當空泡從噴嘴發射出來之后，在水中高速移動，泡壁受壓變形、凹陷，在靠近壁面時，潰滅產生沖擊力，從而引起金屬表面產生塑性變形。因此，空泡潰滅時存在一個到噴嘴的最佳距離，即最佳靶距。根據實驗測量數據繪制靶距與樣品表面粗糙度的關系，如圖13所示。

由圖13可知，1號和5號噴嘴分別在靶距為30 mm和75 mm時達到了表面粗糙度的最大值，與1號噴嘴相比，5號噴嘴出口擴散角的長度更短，空泡更加容易收斂，更容易送至更遠的距離潰滅，故隨靶距的增大，5號噴嘴的表面粗糙度也隨之增大。

為進一步研究靶距對沖蝕的影響，選擇不同的靶距對1號和5號噴嘴進行沖蝕實驗，選擇壓力為20 MPa、沖蝕時間為10 min，沖蝕樣品如圖14所示。分析不同沖蝕靶距下的表面形貌可以看出，第2層存在一圈微小的空蝕凹坑，說明當水射流沖擊到該位置時，會有一定沖擊作用但效果并不明顯，伴隨著空化水射流向靶件表面徑向延伸，沖擊區域的凹坑尺寸逐漸增大。

根據測量數據，繪制鋁塊沖蝕質量與靶距的關系，如圖15所示?？芍?，1號和5號噴嘴的沖蝕最佳靶距分別為60 mm和30 mm，故可以認為1號和5號噴嘴分別在60 mm和30 mm處發生空泡大規模潰滅的現象，此時的沖擊力最大。

靶距對侵蝕樣品表面各沖擊層半徑也有影響，各沖擊層直徑隨靶距的關系如圖16所示?？芍?，第1層凹陷區的直徑幾乎不隨靶距的變化而變化；第2層過渡區直徑在一定靶距范圍內隨著靶距的增大而增大，過渡區與凹陷區顯著不同，侵蝕效果不理想；在第3層環形腐蝕區域，空化水射流與周圍靜態水混合形成壓力梯度，在靠近金屬表面處產生漩渦，從而在上方形成大量的空化氣泡。隨著靶距的增大，空泡潰滅時的沖擊力作用范圍增大，導致第3層直徑增大。此現象表明在空化水射流從噴嘴出口射出后向下方水域流動的過程中，高速的空化水射流束與靜態水接觸時有一個速度差，在剪切作用下，射流束向靶件的徑向擴散，隨著靶距的增大，作用直徑增大。通過調整沖擊靶距可以有效控制空化水射流的空化效果。

圖9 侵蝕樣品及景深圖

圖10 樣品表面顯微掃描圖

圖11 5種噴嘴的沖蝕質量

圖12 1號和5號噴嘴不同靶距下的成形深度

圖13 1號和5號噴嘴不同靶距下的工件表面粗糙度

圖14 1號噴嘴、5號噴嘴沖蝕樣品

圖15 1號和5號噴嘴在不同靶距下的沖蝕質量

3 結論

1）結合高壓水射流漸進成形技術和空泡流場特性，提出了一種新的加工方式——空化水射流漸進成形，通過空泡靠近壁面時發生潰滅而產生的沖擊力對表面來進行塑性變形。與傳統高壓水射流動輒上百兆帕的壓力相比，本文僅使用20 MPa的壓力就可對板料進行成形。

2）設計加工了5種相同喉管大小的空化噴嘴，進行了相同的漸進成形和沖蝕實驗。結果表明，不同內部結構的空化噴嘴的效果差異巨大。在相同條件下，具有錐形擴散段的1號和5號噴嘴的空化效果較好，其中1號噴嘴的擴散段直徑更大，對空泡的聚攏能力更弱，與5號噴嘴相比，在一定靶距范圍內，它在沖蝕時的作用半徑更大。

3）選擇2個綜合表現較好的噴嘴，研究了靶距對成形深度、粗糙度、沖蝕質量、表面形貌的影響，研究表明，隨著靶距的增大，成形深度、沖蝕質量都在一定范圍內增大，隨后下降。因此，在不同應用中都存在著一個最佳靶距。隨著靶距的增大，空化水射流的表面形態也發生了變化，第1層直徑保持不變，第2層、第3層直徑顯著增大。

后續會繼續編寫ABB機械臂運動程序，按照螺旋線的軌跡運動，研究壓力、螺旋線橫向層間距、進給速度對成形的影響，結合各個工藝參數對表面粗糙度、成形高度影響的權重，繪制出空化水射流漸進成形的工藝窗口。

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Comparative Analysis of Cavitation Waterjet in the Field of Incremental Forming and Erosion

XUE Wenhao1,2, WU Xiaojun1, ZHANG Feifei2*, HE Kai2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710021, China; 2. Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Guangdong Shenzhen 518055, China)

The work aims to combine the high-pressure waterjet incremental forming technology with the cavitation phenomenon to explore a new form of processing, namely cavitation waterjet incremental forming technology, and study the effects of different internal structures of cavitation nozzles and working target distance on forming and erosion. Five different types of cavitation nozzles were designed, and the forming and erosion experiments were carried out on 5051 aluminium alloy sheet with a thickness of 0.5 mm and a length and width of 200 mm×200 mm and 1060 aluminium alloy block with a thickness of 10 mm and a length and width of 50 mm×50 mm under the same process parameters and different target distance. The forming height and the mass loss by erosion were measured and the external morphology was observed with an electron microscope. The internal structure of the nozzle had a great impact on the cavitation effect. The nozzle with a conical diffusion section had more significant cavitation effect and the action scope of the nozzle presented three layers of a rings, formed by a combination of many vortexes. The bubble generated by cavitation waterjet moved along the flow direction and collapsed in the vicinity of the target and released the impact force. Both the two conditions, including forming and erosion, had optimum target distance, and with the increase of the target distance, the surface morphology of the cavitation waterjet also changed. The diameter of the first layer of the circle remained constant, while that of the second and third layers increased significantly. The internal structure and target distance have a large impact on the cavitation water jet forming and erosion, and the appropriate process parameters should be selected according to the use of scenarios and working range in order to improve the efficiency in the actual production application.

incremental forming; cavitation; target distance; roughness; process parameters

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.004

TG306

A

1674-6457(2024)02-0028-10

2023-12-19

2023-12-19

國家自然科學基金（52105414）

The National Natural Science Foundation of China (52105414)

薛文浩, 吳曉君, 張飛飛, 等. 空化水射流在漸進成形與沖蝕領域的對比分析[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 28-37.

XUE Wenhao, WU Xiaojun, ZHANG Feifei, et al. Comparative Analysis of Cavitation Waterjet in the Field of Incremental Forming and Erosion[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 28-37.

（Corresponding author）